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四川彭州山區(qū)農(nóng)村新建民居生態(tài)再生設(shè)計(jì)研究

2014-03-26 01:52:18高源朱軼韻劉加平虞志淳
西安理工大學(xué)學(xué)報 2014年1期
關(guān)鍵詞:磚混民居新建

高源,朱軼韻, 劉加平,虞志淳

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院, 陜西 西安 710055;2.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710049;3.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

四川彭州山區(qū)通濟(jì)鎮(zhèn)大坪村位于東經(jīng)103°50′,北緯31°10′,海拔約1400 m。坐落在彭州市西北25 km,成都以北65 km處。該地區(qū)氣候溫和、雨量充沛、四季分明、無霜期長、日照短,年平均氣溫為15.6 ℃,最高氣溫月為7月,平均氣溫約22.1 ℃;最低氣溫月為1月,平均氣溫約2.4 ℃。全年無霜期270多天,降雨主要集中在6~9月,年平均降雨量為960 mm左右。全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),年平均風(fēng)速為1.3 m/s,年瞬間最大風(fēng)速21 m/s。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行分析(圖1)可以看出,該地區(qū)一年中僅4、5月份溫濕度較為適宜,如圖中深色區(qū)域部分;12月、1月、2月全部,3月、11月部分時間,氣溫均低于10 ℃,相對濕度為70%~90%,屬于比較濕冷時間段,室內(nèi)需要采暖;6~9月絕大部分時間處于舒適度區(qū)外較濕熱的區(qū)域,相對濕度多在70%~95%,氣溫約在28 ℃以上分布,較為濕熱,室內(nèi)需要降溫除濕。

通過上述分析可以知道,該地區(qū)生態(tài)民居建造需要考慮的主要問題:冬季氣候比較濕冷,民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取保溫構(gòu)造措施來減少屋內(nèi)熱量的散失;夏季氣候濕熱,民居建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮通過引導(dǎo)室內(nèi)外空氣自然流通來達(dá)到降溫除濕的效果。

1 四川彭州山區(qū)農(nóng)村民居現(xiàn)狀演變及存在問題

1.1 四川彭州山區(qū)農(nóng)村民居現(xiàn)狀演變

隨著我國改革開放及農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn),四川山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到較快的發(fā)展,其生產(chǎn)生活及居住模式也逐漸發(fā)生了改變。但農(nóng)村村落民居在建設(shè)中盲目套用城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展模式,原有的傳統(tǒng)民居建造方式盡管在營建的過程中積累了許多適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻谋粍邮缴鷳B(tài)建造經(jīng)驗(yàn),保留了地域傳統(tǒng)文化,但是由于其存在室內(nèi)居住環(huán)境較差、建筑空間不滿足現(xiàn)有使用功能、生活設(shè)施落后等諸多問題,正逐漸被丟棄。這體現(xiàn)在民居演變形式上,現(xiàn)代形式的磚混結(jié)構(gòu)的民居建筑面積逐年增長,成為農(nóng)村民居建筑演變發(fā)展的主流。但是這種大量興建的磚混民居多建設(shè)規(guī)劃無序、缺乏地域特色、建筑形象雷同、能耗污染較大,不僅影響了農(nóng)村的村容村貌,而且也使農(nóng)村民居偏離了正常的演變軌道。

1.2 四川彭州山區(qū)農(nóng)村民居演變存在問題

當(dāng)前城市建筑高耗能等問題已引起社會的關(guān)注,但對農(nóng)村房屋建筑中的這種趨勢還沒有引起重視。農(nóng)村現(xiàn)有磚混民居由于設(shè)計(jì)及施工水平較低,普遍建造質(zhì)量低下,缺乏合理的節(jié)能措施,室內(nèi)熱環(huán)境惡劣,顯示出高能耗、高污染、高成本、低質(zhì)量等如下缺陷。

1) 建造質(zhì)量低

四川彭州山區(qū)山地村民自建磚混房屋,模式較為粗放,房屋施工質(zhì)量的好壞主要取決于施工人員個人經(jīng)驗(yàn)的豐富與否,但由于其沒有形成規(guī)范科學(xué)的房屋建造體系,房屋結(jié)構(gòu)多缺乏安全及抗震措施,房屋質(zhì)量受其主觀隨意性影響較大,房屋質(zhì)量難以把控。

2008年汶川地震后,該地區(qū)大坪村村落民居災(zāi)后損壞程度實(shí)地調(diào)查也證明了這一點(diǎn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn),如表1所示,受損最普遍、最嚴(yán)重的民居是那些1980年后建造的磚混住宅,而1970年以前甚至更早時期建造的傳統(tǒng)木框架支撐的土木、磚木民居建筑受損情況較小。

表1 民居受損情況調(diào)查表

2) 環(huán)境影響大

四川彭州山區(qū)山地農(nóng)村傳統(tǒng)民居建筑材料以取自于當(dāng)?shù)氐氖?、生土、木材為主要原料,這些傳統(tǒng)建材資源具有可再生、可重復(fù)利用的性能。使用后的木材和石料可以更新再利用,木材、夯土粉碎后還可撒入土中,進(jìn)入自然的循環(huán)系統(tǒng)。對于環(huán)境影響小。

新建磚混民居大量使用粘土磚、鋼筋混凝土、面磚等建材,不僅在生產(chǎn)中破壞土地、污染環(huán)境,排放大量CO2,SO2等酸性氣體,對大氣環(huán)境造成污染,而且廢棄使用后,較難降解,會對自然環(huán)境帶來很多的負(fù)面影響。但由于粘土磚生產(chǎn)制造所使用的設(shè)備成本較低,原材料價格較低,廣大農(nóng)村還在使用。資料統(tǒng)計(jì),我國房屋建筑材料中70%是墻體材料,其中粘土磚占據(jù)主導(dǎo)地位,生產(chǎn)粘土磚每年耗用粘土資源達(dá)10多億立方米,約相當(dāng)于毀田50萬畝。我國每年產(chǎn)生各類工業(yè)固體廢物1億多噸,累計(jì)堆存量已達(dá)幾十億噸,不僅占用了大量土地,其中所含的有害物質(zhì)嚴(yán)重污染著周圍的土壤、水體和大氣環(huán)境。

3) 能源消耗多

該地區(qū)傳統(tǒng)民居除在建造施工過程中耗費(fèi)能源外,在其他環(huán)節(jié)基本不耗費(fèi)能源;且傳統(tǒng)民居歷經(jīng)時間的演變,積累了許多被動式氣候適應(yīng)性生態(tài)建造經(jīng)驗(yàn),在創(chuàng)造了相對較為舒適的室內(nèi)環(huán)境的同時,民居的日常生活耗能較少,基本保證了周圍自然環(huán)境的完好性。

現(xiàn)代粘土磚、鋼筋混凝土屬能源消耗型產(chǎn)品,在制造、運(yùn)輸、使用、拆除過程中均需耗費(fèi)大量能源。資料表明,我國每年生產(chǎn)粘土磚約消耗7000多萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而且農(nóng)村磚混民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的熱工性能較差,如果粘土磚、鋼筋混凝土需求繼續(xù)增長,不僅增加墻體材料的生產(chǎn)能耗,而且導(dǎo)致新建建筑的采暖和空調(diào)能耗大幅度增加,將加劇能源供需矛盾。

4) 傳統(tǒng)地域風(fēng)貌遺失

四川彭州山區(qū)傳統(tǒng)民居在建筑風(fēng)格上沿襲傳統(tǒng)做法,不論是建筑平面還是外觀形態(tài)風(fēng)格均保持了一致性。各戶村民順應(yīng)多變的地勢,根據(jù)自家宅基情況靈活布局,形成了多樣統(tǒng)一的村落整體風(fēng)貌。

改革開放以來,隨著村落與外界的信息交流增多,新建民居建筑的平面布局、材料和外觀均發(fā)生了較大的變化。民居外立面上瓷磚貼面屢見不鮮。村落民居新與舊并存出現(xiàn),傳統(tǒng)村落結(jié)構(gòu)的整體性受到破壞,漸漸失去原有的地域性特色。

面對上述問題,如何因地制宜、就地取材提高山地農(nóng)村居民的生活質(zhì)量、降低建筑能耗、保護(hù)生態(tài)環(huán)境是在生態(tài)民居再生設(shè)計(jì)中考慮的重點(diǎn)方面。

2 四川彭州山區(qū)農(nóng)村生態(tài)民居再生設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目背景

汶川地震造成我國四川、陜西、甘肅三省部分地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重,四川彭州通濟(jì)鎮(zhèn)大坪村為典型受災(zāi)村落,村內(nèi)單體民居房屋破壞嚴(yán)重,多數(shù)無法繼續(xù)居住。本項(xiàng)目通過大坪村43戶居民的整體原地易址新建,營造具有綠色再生理念的生態(tài)示范民居。

2.2 設(shè)計(jì)理念

1) 生態(tài)可持續(xù)地域適應(yīng)性技術(shù)設(shè)計(jì)

由于大坪村交通不便,磚混建材運(yùn)輸成本高,而山區(qū)土、石、木、竹較豐富,新民居設(shè)計(jì)充分利用當(dāng)?shù)氐耐?、石、木、瓦材料,結(jié)合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建造方法與現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)手段,充分利用當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源,以簡單易行的毗連陽光房融入民居設(shè)計(jì)中。同時,集中解決冬季保溫的熱環(huán)境問題;提高室內(nèi)采光,通風(fēng)的衛(wèi)生要求;解決人,畜,廁以及庭院布局的關(guān)系問題,從而初步改善居住生活環(huán)境條件,形成適宜當(dāng)?shù)貧夂虻赜颦h(huán)境的新型民居。

2) 以人為本模塊化設(shè)計(jì)

新民居設(shè)計(jì)方案以基本生活空間模塊與多功能模塊為基本組合單元,基本生活空間(紅色)模塊有:主房(堂屋)、次房(廂房);多功能輔助空間(藍(lán)色)模塊有:廚房(餐廳)、衛(wèi)生間(儲藏)、陽光間(挑臺)。村民可以根據(jù)各家的人口數(shù)量及生活方式,運(yùn)用這兩種類型模塊的組合,形成自己需要的民居建筑(圖2)。

圖2 平面模塊組合

3) 傳統(tǒng)民居風(fēng)格繼承創(chuàng)新

為了體現(xiàn)當(dāng)?shù)氐赜蛭幕?,新民居設(shè)計(jì)方案充分繼承了四川傳統(tǒng)穿斗民居的建造方式,依然采用土木結(jié)構(gòu),圍護(hù)墻體為木板竹籬夾泥墻,為了改善傳統(tǒng)墻的冬季保溫性能,將墻體創(chuàng)新變?yōu)閺?fù)合墻體,內(nèi)部增加聚苯保溫板,以減少冬季的熱損失。陽光間采用木方格柵構(gòu)筑,在繼承傳統(tǒng)的竹、木等綠色可再生建筑材料的風(fēng)格意蘊(yùn)的同時,用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手法反映了傳統(tǒng)民居的建筑風(fēng)格理念。

在民居造型設(shè)計(jì)上,民居主要用房與側(cè)面廂房高低錯落,搭接有序,穿插自然,共同構(gòu)筑出傳統(tǒng)民居空間的風(fēng)韻;民居立面繼承穿斗民居的建構(gòu)方式,建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部外露,清雅俊秀,與周邊群山氛圍和諧統(tǒng)一(圖3)。

2.3 生態(tài)再生節(jié)能技術(shù)策略

1) 可再生材料的運(yùn)用

大坪村當(dāng)?shù)厥a(chǎn)竹材、木材,故當(dāng)?shù)孛窬硬捎弥?、木較多,但其墻體較薄,保溫隔聲效果較差。新民居設(shè)計(jì)方案考慮到結(jié)構(gòu)安全及抗震性能,整體仍采用木框架穿斗結(jié)構(gòu),外圍護(hù)墻體考慮將土、木、竹結(jié)合起來使用,采用木板或竹編夾泥墻,內(nèi)部隔墻也如上處理,這不僅可有效提高房間內(nèi)部保溫隔聲效果,還避免了大量砌體的使用,降低了建造成本,減少了CO2的排放。

圖3 新建生態(tài)民居

2) 可再生能源的利用

新民居設(shè)計(jì)方案在主要居室設(shè)置了毗連陽光間等被動式太陽能利用措施,可以有效地改善冬季居室內(nèi)的熱環(huán)境,減少冬季采暖對林木的砍伐;同時利用當(dāng)?shù)刂参锝斩?、牲畜糞便作為沼氣池原料,為村民提供部分炊事用能。

3) 自然通風(fēng)措施的運(yùn)用

結(jié)合圖1氣象資料分析,大坪村夏季氣候濕熱,民居建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮通過引導(dǎo)室內(nèi)外空氣自然流通來達(dá)到降溫除濕的效果。在平面設(shè)計(jì)上前后墻體設(shè)置普通窗體和高窗,有利于室內(nèi)形成穿堂風(fēng)對流;廚房等開敞空間設(shè)置在樓梯間附近,部分房間墻體預(yù)留通風(fēng)口,有利于形成豎向熱壓通風(fēng)。

4) 夏季遮陽措施的運(yùn)用

新民居設(shè)計(jì)方案汲取傳統(tǒng)民居房屋檐口出挑深遠(yuǎn)的經(jīng)驗(yàn),入口墻面一側(cè)多設(shè)檐廊,不但防止降水侵蝕房屋墻體,還可避免夏季陽光直射到民居墻體上面,造成墻體過多吸收太陽輻射熱。

5) 保溫墻體的設(shè)置

結(jié)合圖1氣象資料分析結(jié)果,大坪村冬季氣候比較濕冷,民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取保溫構(gòu)造措施來減少屋內(nèi)熱量的散失。新民居設(shè)計(jì)方案為了改善圍護(hù)墻體的冬季保溫性能,將竹、木夾泥外墻墻體中間加設(shè)聚苯板保溫層,聚苯板質(zhì)地較輕,保溫效果和隔音效果均較好,且對于木(竹)墻體增加不了多少垂直荷載,有利于結(jié)構(gòu)安全,且運(yùn)輸便利,還可以回收重復(fù)利用。同時選用氣密性、做工質(zhì)量較好外木窗,以減少冬季民居的熱損失(如圖4所示)。

6) 加大自然采光措施的運(yùn)用

新民居設(shè)計(jì)方案為了改善傳統(tǒng)民居室內(nèi)光環(huán)境較差的情況,減小房屋的進(jìn)深,在后墻設(shè)置高窗,使室內(nèi)照度更為均勻。

圖4 新建民居保溫墻體

2.4 室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測結(jié)果

本項(xiàng)目分別選用新建生態(tài)民居和當(dāng)?shù)卮u混民居進(jìn)行冬夏兩季室內(nèi)熱環(huán)境測試比較。

當(dāng)?shù)卮u混民居,層數(shù)為1層。建筑結(jié)構(gòu)磚混結(jié)構(gòu),屋頂做法為小青瓦屋面,外圍護(hù)墻體為240 mm粘土磚墻;門窗均為木制。

新建生態(tài)民居,層數(shù)為1層。建筑結(jié)構(gòu)為木構(gòu)架穿仿結(jié)構(gòu)。屋頂為檁條上鋪椽子,椽子上面鋪掛瓦條,掛瓦條上面直接掛青色機(jī)瓦的構(gòu)造形式;外圍護(hù)墻體為了防潮隔濕,1.5 m以下為240 mm粘土磚砌筑,1.5 m以上部分做夾心保溫竹木夾泥外墻,墻體為20 mm柳沙松木板+50 mmEPS保溫板+20 mm柳沙松木板;門窗均為木制。

1) 夏季測試結(jié)果。夏季測試時間為2009年7月22~25日,室外空氣溫度變化范圍19.1~28.2 ℃,平均溫度23.2 ℃,溫度波動較大;新建民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍19.8~25.3 ℃,平均氣溫為22.7 ℃;磚混民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍19.8~24.0 ℃,平均氣溫21.9 ℃。兩者室內(nèi)溫度趨于一致,波動值均小于室外,室內(nèi)溫度較為舒適。

2) 冬季測試結(jié)果。冬季測試時間2010年2月7~11日,室外空氣溫度變化范圍6.6-8.1 ℃;新建民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍7.4~8.3 ℃,平均氣溫為7.8 ℃;磚混民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍6.4~6.9 ℃,平均氣溫6.6 ℃。兩者相比,新民居平均溫度提高了1.2 ℃。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕穹从?,可以通過增加衣物方式而不采取任何采暖方式過冬,節(jié)省了采暖能耗。

分析上述測試結(jié)果可以看出:測試期間夏季,由于大坪村室外溫度較為適宜,故兩民居室內(nèi)熱環(huán)境差別不大;測試期間冬季,新民居通過改進(jìn)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱措施,室內(nèi)平均溫度比原有磚混建筑有所提高。

2.5 圍護(hù)墻體熱工指標(biāo)及室內(nèi)環(huán)境計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果

通過對傳統(tǒng)穿斗民居、現(xiàn)代磚混民居、新建生態(tài)民居的圍護(hù)墻體熱工指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算對比,可以看出新建生態(tài)民居圍護(hù)墻體熱工指標(biāo)較好,熱阻R0較大,傳熱系數(shù)K較小(表2)。

表2 農(nóng)村民居圍護(hù)墻體構(gòu)造熱工指標(biāo)

由于民居室內(nèi)環(huán)境實(shí)測數(shù)據(jù)只體現(xiàn)了被測建筑在測量期間自然條件下的室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)劣狀況,易受到被測建筑本身建造質(zhì)量、位置及周邊自然環(huán)境、天氣因素的影響,造成測試結(jié)果的偏差。要判斷其全年的室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)劣狀況,還需要將被測建筑統(tǒng)一在基本相同的初始條件時間周期下進(jìn)行比較,以達(dá)到一個客觀準(zhǔn)確的分析結(jié)論,而這正是建筑環(huán)境模擬軟件的優(yōu)勢所在。

通過使用Ecotect Analysis 2011程序建立民居模型,圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及構(gòu)造的設(shè)定均根據(jù)現(xiàn)代磚混民居、新建生態(tài)民居這兩類民居實(shí)際選材及厚度進(jìn)行設(shè)定,將被測建筑統(tǒng)一在基本相同的初始條件時間周期下進(jìn)行比較(圖5)。

圖5 民居計(jì)算機(jī)數(shù)字模型

通過計(jì)算機(jī)模擬該區(qū)域氣象資料全年最熱天,主臥室室內(nèi)溫度,如圖6所示,可以看出,由于該地區(qū)夏季室外溫度較為適宜,新建生態(tài)民居主臥全天室內(nèi)的溫度與磚混民居主臥室內(nèi)溫度相差不大,溫度波幅變化較為平緩,基本在28~29 ℃左右波動,室內(nèi)熱環(huán)境相對較為適宜。

計(jì)算機(jī)模擬該區(qū)域氣象資料全年最冷天主臥室室內(nèi)溫度,如圖7所示,可以看出,生態(tài)民居主臥全天室內(nèi)溫度比磚混民居主臥室內(nèi)溫度要高1.0~1.5 ℃,溫度波幅變化較為平緩,基本在7.6~8.2 ℃波動。兩者相比較,磚混民居室內(nèi)溫度隨室外溫度的改變波動較大,熱穩(wěn)定性較差。

圖6 計(jì)算機(jī)模擬兩類民居最熱日室內(nèi)外溫度曲線圖

圖7 計(jì)算機(jī)模擬兩類民居最冷日室內(nèi)外溫度曲線圖

通過計(jì)算機(jī)模擬兩類民居如達(dá)到室內(nèi)舒適所需全年能耗,如圖8所示,可以看出,磚混民居能耗較多。新建生態(tài)民居全年總能耗約比磚混民居節(jié)省約16%。

圖8 計(jì)算機(jī)模擬兩類民居全年能耗曲線圖

新建民居設(shè)計(jì)為了改善室內(nèi)自然光照環(huán)境,減少房間進(jìn)深,增加后墻開窗,使室內(nèi)光照更加均勻。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬最不利的全陰天工況下室內(nèi)自然光照度,可以看出,一層房間內(nèi),室內(nèi)照度值基本在200~300 lx左右,取得了較好的采光環(huán)境(圖9)。

圖9 計(jì)算機(jī)模擬新建民居室內(nèi)照度

3 結(jié) 語

新建民居經(jīng)過居住使用,當(dāng)?shù)鼐用駥τ谛陆窬拥恼w滿意度達(dá)到95%,這也吸引周邊村莊村民自愿參觀、學(xué)習(xí)并模仿大坪村的民居樣式,該民居建造模式在此基礎(chǔ)上,又推廣建設(shè)多達(dá)200余戶左右,起到了良好的生態(tài)示范作用。

大坪村新民居的生態(tài)再生設(shè)計(jì)充分利用了當(dāng)?shù)氐耐?、竹、木等可循環(huán)利用再生材料,減少了能源及資源的消耗;墻體保溫、自然通風(fēng)、自然采光等諸多被動式措施的利用,較為明顯的改善了室內(nèi)的光、熱環(huán)境,創(chuàng)建了低碳環(huán)保的四川山地民居建造形式,對于當(dāng)?shù)丶拔覈纳降剜l(xiāng)村民居建筑的節(jié)能減排、生態(tài)化建設(shè)有很強(qiáng)的指導(dǎo)借鑒作用。

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